巷道侧向“管涌式”特大型突水分析

李松营，姚小帅,2，杨 培,2，张春光

（1.义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300；2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003）

巷道侧向“管涌式”特大型突水分析

李松营1，姚小帅1,2，杨 培1,2，张春光1

（1.义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300；2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003）

为了弄清金鼎煤矿皮带大巷施工过程中发生的最大涌水量达8000 m3/h的特大型突水的原因，研究了巷道所处层位的岩性、含水层、突水过程、水质类型、水位以及瞬变电磁勘探、注浆钻孔、压水试验、堵水成果等资料。结果表明：本次突水水源来自寒武系灰岩承压含水层，通道为软弱破碎风化带岩层塑性滑动与“管涌”后所形成的“管涌式”通道，6.5 MPa水压为突水提供了动力；本次巷道底板突水，系寒武系灰岩含水层高压水从侧向推动风化带软弱破碎岩层塑性滑动和“管涌”所形成的“管涌式”突水。

风化带；塑性滑动；“管涌式”通道；底板突水

0 引言

我国华北地区，煤层底板灰岩溶裂隙承压含水层是威胁矿井安全生产的主要因素之一。针对底板突水的研究，经验公式类有突水系数法、“递进导升”“下三带”“下四带”理论等[1-4]，以力学模型为基础的有关键层理论、原位张裂与零位破坏理论等[5-6]，将非线性理论和信息技术融合应用的有神经网络、脆弱性指数法等[7-10]。这些理论与方法用于突水危险性分析和预测都发挥着积极作用。井下底板突水，条件各异[11-16]。河南省汝阳县金鼎煤矿在开拓皮带大巷过程中，穿过太原组风化带时，发生了一起特大型底板滞后突水，与传统底板突水不同，本次突水系类似于软弱破碎岩层塑性滑动后形成的“管涌式”突水。

1 工程概况与矿井水文地质

1.1 工程概况

金鼎煤矿设计生产能力45万t/a，2008年4月开工建设，主井深度691.5 m。其井田跨汝阳县城关、上店和柏树等3个乡镇，面积17.41 km2。其中，含煤区域主要位于F3、F4、F5等数条大型断层切割所形成的三角断块之内（图1），面积6.65 km2。井田主要地层由老至新依次有：寒武系灰岩、白云岩、白云质灰岩等，累计厚度超过500 m；石炭系中统本溪组铝土岩，平均厚度8.1 m；石炭系上统太原组，以泥砂岩为主，含薄层灰岩与煤线，平均厚度19.6 m；二叠系下统山西组与下石盒子组，为泥、砂岩互层，平均厚度106.0 m；白垩系九店组砾、砂岩，平均厚度444.9 m；古近系陈宅沟组砾岩，平均厚度117.5 m；以及第四系松散层，平均厚度11.9 m。二叠系山西组二1煤为主要可采煤层，厚度0.79～17.84 m，平均6.15 m，资源量5531万t，煤种为焦煤。

1.2 矿井水文地质

区内第四系沙砾石含水层与古近系砾岩裂隙含水层距主采煤层较远且受白垩系隔水层阻隔，对矿井充水影响较小；煤层顶板二叠系大占砂岩裂隙含水层与底板石炭系薄层灰岩溶隙含水层是矿井的直接充水含水层，起经常性的充水作用，但富水性弱、补给不足，是采掘生产的影响因素，但并不威胁矿井安全。寒武系灰岩溶、裂隙承压含水层在井田外部有大面积出露，受大气降水补给，补给较为充沛，是当地的主要含水层，水位+310.0～+381.9 m。

井田内发育有多条大、中型断层，由于断层的阻、导水作用差异，使得地下水径流条件变得十分复杂。寒灰含水层上距二1煤平均厚度为38.1 m，大部分区域煤层底板突水系数已远超0.1 MPa/m，并且局部区域煤层底板破碎、完整性差，一旦遇寒灰富水区段，发生寒灰突水就在所难免。寒灰含水层是威胁矿井安全的主要水害因素，是矿井防治水工作的重点。

2 突水简述

2011年12月16日16时许，-328 m轨道大巷距掘进头16～36 m处发生底鼓（图2），伴有微量渗水和涌沙。19日10时许，-328 m皮带大巷距掘进头15.5～42.5 m处也发生底鼓（图2），其中，距正头40 m前后合计约5 m长度巷道快速底鼓，且出现少量渗水；10时35分，巷道北帮开始出水，涌水量达到20 m3/h，并伴有细沙流出；11时35分涌水量达到150 m3/h；12时18分，涌水量达到500 m3/h；13时40分，实测涌水量超过3000 m3/h；18时井底车场已淹没，计算4个小时平均涌水量5 820 m3/h，推算峰值涌水量超过8000 m3/h；之后，水位沿井筒持续上升；22日2时，水位标高+313.0 m，距井口25.5 m，趋于稳定。本次突水累计出水量为7.3万m3。

图2 突水点位置Figure 2 Water bursting point situation

3 突水分析

3.1 水源

综合分析认为，本次突水水源来自寒武系灰岩溶、裂隙承压含水层。原因如下：

（1）区域内只有寒灰含水层有如此巨大的突水能力。

（2）井田内没有小煤窑，大巷距地表约700 m，可以排除小窑水可能。

（3）水质类型为重碳酸钙镁型水，为明显的寒灰水特征。

（4）淹井后，矿井水位最终稳定在+313.0 m上下，与区域寒灰含水层水位一致。

（5）按照“先截流、后堵源”，即在2条巷道各施工2个钻孔，先期封填巷道，形成人工闸墙，再延伸钻孔至寒灰含水层封堵水源的治理思路堵水成功。

3.2 通道

软弱破碎岩层在高水压以及巨大地应力条件下产生塑性滑动与“管涌”，由“管涌式”通道逐渐扩大形成了本次突水通道。原因如下：

（1）巷道探查与堵水钻孔揭露情况等地质资料表明：两条大巷的底鼓区段均位于太原组的风化带上，泥岩比例较大，且受到构造作用，厚度变化剧烈（图3），巷道底板破碎，碎块间泥质充填，巷道底板呈现塑性岩层特征。

图3 皮带大巷底板地质剖面Figure 3 Geological section of belt roadway floor

（2）突水初期，现场可以看到随涌水带出少量泥沙，有类似“管涌”特征。

（3）6.5 MPa水压和700 m覆盖层所形成的巨大地应力为软弱破碎底板岩层塑性滑动提供了动力。

（4）超前瞬变电磁勘探成果显示探测范围内（包括突水区段）巷道底板视电阻率普遍较高，没有明显低阻区（图4），指示巷道所在位置寒灰富水性较差。

图4 瞬变电磁勘探成果Figure 4 TEM prospecting results

（5）3号、4号注浆钻孔分别位于皮带大巷和轨道大巷的底鼓段（图2、图3），分别进入巷道底板77.8 m、113.0 m，进入寒灰64.0 m、85.0 m，透巷之前下入套管；2个钻孔岩心均显示底鼓段太原组破碎、取心困难，寒灰岩层完整，仅发育少量溶孔（图5）；钻进过程中，2个钻孔在太原组段浆液漏失严重，进入寒灰后浆液仅稍有消耗；3号钻孔在底板段进入寒灰之前共注入水泥1836 t，而进入寒灰后，用2.5 t盐酸洗孔后注入水泥481 t；4号钻孔进入寒灰后，用1 t盐酸洗孔后注入水泥220 t。

（6）5号钻孔（图3）在进入寒灰18.0 m后连续发生2次掉钻，掉钻长度分别为0.7 m和0.8 m，经压水试验，求得q=21.03 L/(mim·m)，表明其与出水点连通性良好，5号钻孔处于皮带大巷和轨道大巷的底鼓段北向延展线上（图3），应是主要突水通道，也是水源出口所在位置。

3.3 动力

6.5 MPa的高水压既为风化带岩层塑性滑动和“管涌”提供了动力，也是本次突水的动力条件。

图5 3号钻孔寒武系灰岩岩心Figure 5 Cambrian limestone samples from borehole No.3

4 结论

（1）金鼎煤矿在基建期间皮带大巷发生的特大型突水，水源来自于寒武系灰岩溶裂隙承压含水层，通道为软弱破碎底板岩层在高水压与巨大矿压作用下发生塑性滑动与“管涌”而形成的“管涌式”通道。

（2）预防巷道底板岩溶水突出，不仅要分析水压、隔水层厚度、巷道下方灰岩的富水性，还应该研究相邻区域的富水性、巷道所处层位、巷道围岩物理性质等。对于软弱破碎岩层，应采取措施避免发生塑性滑动而发生“管涌式”突水。

[1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京:煤炭工业出版社，2009.

[2]王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的模拟和观测[J].岩土工程学报，1999，21(5):546-549.

[3]Jincai Zhang.Investigations of water inrushes from aquifers under coal seams[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Scienc⁃es，2005，(42):350～360.

[4]张金才，刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报，1990，(2):35-38.

[5]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21(31):44-47.

[6]曹庆奎，赵斐.基于模糊—支持向量机的煤层底板突水危险性评价[J].煤炭学报，2011，36(4):633-637.

[7]孙明，张文泉，郭启忠，等.基于模糊神经理论的深井煤层底板突水因素研究[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2011，26(4):5-10.

[8]武强，张志龙，张生元，等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ—脆弱性指数法[J].煤炭学报，2007，32(11):1121-1126.

[9]武强，刘守强，贾国凯.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用[J].中国煤炭，2010，36(6):15-22.

[10]李建林，张洪云，王心义，等.脆弱性指数法在煤层底板突水预测中的应用与建议[J].煤炭学报，2014，39(4)：725－730.

[11]李松营，武强，滕吉文，等.新安矿13151工作面煤壁侧底板突水分析[J].中国煤炭，2015，41(6):40-43.

[12]谢兴华，速宝玉，高延法，等.矿井底板突水的水力劈裂研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（6）：987-993.

[13]李连崇，唐春安，左宇军，等.煤层底板下隐伏陷落柱的滞后突水机理[J].煤炭学报，2009，24(9)：1212-1216.

[14]李松营.曹窑东井27080工作面非断层大型奥灰突水分析[J].煤炭科学技术，2008，36（9）：84-86.

[15]宋振骐，郝建，汤建泉，等.断层突水预测控制理论研究[J].煤炭学报，2013，38(9)：1511-1515.

[16]王晓军.突水系数法在大淑村煤矿西翼6号煤安全开采中的应用[J].中国煤炭地质，2015，27（1）：40-43.

Analysis of Roadway Lateral“Piping Typed”Oversize Water Bursting

Li Songying1,Yao Xiaoshuai1,2,Yang Pei1,2and Zhang Chunguang1
(1.Geological Research Institute,Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.School of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003)

To fully understand the cause of oversize water bursting with maximum inflow 8000 m3/h happened during the belt roadway drifting have studied lithology of roadway situated horizon,aquifer,water bursting process,water quality type,water level and informa⁃tion from TEM prospecting,grouting boreholes,packer test and water plugging results.The result has shown that the water bursting source is from Cambrian limestone confined aquifer,through soft and weak cracked weathering zone strata plastic sliding after piping formed“piping typed”channel,plus 6.5MPa water pressure provided power for this water bursting.So,this roadway floor water burst⁃ing is a“piping typed”water bursting formed by Cambrian limestone aquifer high pressure water laterally pushed weathering zone soft and weak cracked strata plastic sliding and piping.

weathering zone;plastic sliding;“piping typed”channel;floor water bursting

TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.10

1674-1803(2017)03-0050-03

国家自然科学基金重点资助项目（41130419）

李松营（1967—），男，河南巩义人，教授级高工，博士，从事矿井防治水科研与管理工作。

2016-09-08

责任编辑：樊小舟